fbpx

גישה מעשית לתכנון ומימוש של מארזי SMT ניתנים לשדרוג, בעלי ביצועים גבוהים ומותאמים אישית עבור יישומים של גלים מילימטריים

Share this article
Share on linkedin
Share on facebook
Share on twitter

גישה מעשית לתכנון ומימוש של מארזי SMT ניתנים לשדרוג, בעלי ביצועים גבוהים ומותאמים אישית עבור יישומים של גלים מילימטריים

קמיליו גומז-דוארטה [Camilo Gomez-Duarte], בנג’מין קאהטן [Benjamin Kahtan] וארון ווייסמן [Aaron Vaisman]

Mini – Circuit

ברוקלין, ניו יורק, ארה”ב, 11235

כללי – לאחר שנים רבות של מחקר ופיתוח, הכירו מהנדסי חשמל, פיסיקאים, מתמטיקאים ומדענים, ביתרונות הטמונים בהפעלת מערכות תקשורת בתדירויות גבוהות. חלק מההתפתחויות הראויות ביותר לציון שנגזרו ממחקר זה כולל: מימוש של מעגלים קטנים יותר לקבלת אותה פונקציונליות, שיפור שבח האנטנה בגודל אנטנה נתון ועלייה דרמטית בקיבולת העברת הנתונים. עם זאת, נותרו כמה אתגרים בתחום של מימוש מעגלים הפועלים בתדירות גבוהה במגבלות העולם הממשי. בין הבעיות שאינן פשוטות, בולטת במיוחד בעיית המארז.

חשוב ביותר שתתקיים האפשרות של שילוב ריבוי טכנולוגיות מעגלים במארזי רכיבים הפועלים בת”ר (RF), תוך כדי קבלת האיזון הטוב ביותר האפשרי בין ביצועים לבין עלות, עבור יישום נתון. עם זאת, טכנולוגיות מארזים מסורתיות הוכיחו שאין אפשרות לתרגם את הביצועים שבדרך כלל אפשר לראות בתדרים שמתחת לפס השידור X, אל טווח הגלים המילימטריים, כתוצאה מנוכחותם של רכיבים פרזיטיים קיימים ואילוצים טכנולוגיים מובנים אחרים.

מגבלות אלו הובילו את קהילת המתכננים למינוף של טכנולוגיות מארזים חדשות, מתודולוגיות תכנון חדשניות וכלים מתקדמים לתכנון בעזרת מחשב (CAD), כדי לפתח פתרונות מארזים כדאיים מבחינת עלות וניתנים לשדרוג, עבור השווקים והיישומים של התדר הגבוה. טכניקות מארזים חדשות אלו מתרחקות כיום ממימושים הפוגמים בביצועים כגון תרכובות יצוקות ומבנים עם חיבורי חוטים ארוכים, כדי לקבל ביצועים יוצאי דופן של יותר מ- 55 ג’יגה הרץ. לאור התפתחויות אלו, מאמר זה חוקר כמה מבין התפישות החשובות שעומדות בבסיס הפיתוח של פתרונות מארזים, שיכולים להתקיים מבחינה מסחרית לרכיבים שמיועדים עבור גלים מילימטריים (בתהליך רישום לפטנט – pending).

מילות מפתח – התקנים קרמיים בייצור משותף בכבשן בטמפרטורה נמוכה (Low-Temperature Co-Fired Ceramic), LTCC, רכיבים עבור גלים מילימטריים (mmWave), שילוב תחומים פיסיקליים (Multi-Physics), הדמיית מארזי SMT, מארזים

1. הקדמה

השימוש העולמי בנתונים ניידים צפוי לגדול מ- 11.2 פטה ביית בחודש בשנת 2017 ל- 48.3 פטה ביית בחודש בשנת 2021. דור 5 (5G) התגלה כהצעה רצינית להשגת עלייה של פי 1,000 בקיבולת הנתונים הניידים ולתמיכה בצריכת הנתונים של שבעה מיליארד אנשים ושבעה טריליון התקנים, תוך כדי שמירה על נצילות אנרגטית ותחזוקה שבה זמני ההשבתה קרובים לאפס [1]. ההופעה של דור 5 הביאה עמה פיתוח מוגבר של מעגלים משולבים (IC) כדי לעמוד בדרישות של יישומים הפועלים בתדירות גבוהה ובצורך הנלווה של פיתוח מארזים כדאיים מבחינת עלות, שתפקידם אינו מסתכם רק בהגנה על המעגלים המשולבים, אלא הם יכולים גם לשמור על ביצועים חשמליים טובים, על פני פסי תדירות פעולה רחבים.

איור 1. חתך רוחב במארז קרמי

מארזי QFN להתקנה משטחית, שקיימים כיום, אינם מתאימים להתקנים של מארזים הפועלים בתדירויות של גלים מילימטריים. הרכיבים הפרזיטיים שנתיב האות נתקל בהם, כמו למשל, אי רציפויות במעבר האנכי מהמעגל המודפס אל צדו העליון של מארז QFN וחיבורי החוטים אל המעגל המשולב, הופכים להיות זניחים בתדירויות נמוכות, אבל כאשר הממדים הפיסיים של חלקי המעגל הופכים להיות שבר של אורך הגל, הם הופכים להיות משמעותיים. חיסרון נוסף שקיים במארזי QFN הוא ההסתמכות שלהם על ריבוי יציקות (over molding), שלא רק שהוא מגדיל את ההפסדים החשמליים בתדירויות גבוהות, אלא הוא גם הופך לבלתי אפשרית את ההכנסה למארז של פיסת שבב (die) שמשתמשת בגשרי אוויר. מעבר לכך, אין אפשרות לאחסן במארזי QFN התקני שבב בחיבור ישיר (flip chip) מפני שמטבעם הם מתוקננים. פתרונות רבים פותחו על מנת לתת מענה לאתגרים אלו: מארזי QFN עם חלל אוויר (air cavity) מאפשרים ליצור מעגלים משולבים עם גשרי אוויר, אם כי הם עדיין חסרים תיאום טוב לתופעות מעבר בתדירויות גבוהות. מבני MicroCoax [2] מאפשרים פעולה בתדירות גבוהה, אבל נדרשים להם תהליכי הרכבה ייחודיים. פתרונות של מארזים מותאמים אישית יכולים לפצות על השפעות פרזיטיות [3] ומאפשרים מימוש של חללי אוויר. פתרונות בהתאמה אישית מלאה מתאימים במידה הרבה ביותר, כאשר הם משולבים בתוך אסטרטגיית תכנון מהירה עם נטילת סיכון מועטה, כמו גם בתהליך הרכבה אוטומטי מאוד.

ליישומי ת”ר מודרניים יש דרישות מחמירות ביחס לרכיבים, שהם מעבר למפרטים החשמליים. מכלולים צפופים, הספקי פעולה גבוהים והצורך במערכות עמידות ואמינות, מעמידים דרישות גבוהות בפני המתכננים של מארזי MMIC בבואם לאזן בין ביצועים חשמליים לבין מאפייני חום ומאפיינים מכניים רצויים. מאחר שמאפייני תכנון שנותנים יתרון להיבט אחד של הביצועים עלולים לפגוע בדרישות של היבטים אחרים, נדרש לא פעם לערוך פשרות. לדוגמה, פשרה שמטרתה לשפר את הביצועים החשמליים על חשבון פיזור החום עלולה להניב יתרון קטן בשל ההשפעה של עליית הטמפרטורה במוליכים ובמוליכים למחצה. לכן יש חשיבות רבה מאוד לכך שהמתכננים יבינו את ההשפעות של בחירות התכנון שמתקיימות בו בזמן, על ההיבטים השונים של ביצועי ההתקן.

איור 2. חתך סכמתי של מארז אורגני

איור 3. הצגה של חלקים מקובצים בחיבורי חוטים פנימיים בין רפידת המארז (CPK),
חוט הזהב (LWB) ורפידת המעגל המשולב (CIC).

במאמר זה אנו מציגים את הפיתוח של מארזי התקנה משטחית עם ביצועים חשמליים טובים, ממתח ישר עד 50 ג’יגה הרץ, ומתייחסים למעגל המודפס, למארז ההתקנה המשטחית ולמעגל המשולב (בתהליך רישום לפטנט). חלק II מתאר את הרכיבים והתכנון של המארז. בחלק III מוצג דיון שנערך בפשרה בין התאמה אישית לבין סטנדרטיזציה של מאפייני התכנון בהקשר של יעדי הביצועים והעלויות. מוצגים ביצועים שנמדדו של פיסת שבב של מנחת MMIC רחב פס במארז אורגני בהתאמה אישית ובמארז LTCC. בנוסף, נידונים היתרונות הגלומים בזרימת עבודה בהדמיה של שילוב תחומים פיסיקליים, אשר שימשה בתכנון של מארזים אלו.

2. תכנון

א. מבנה

תרשימי חתך רוחב סכמתיים של מארזים קרמיים ואורגניים ושל המעגל המודפס מתוארים באיור 1 ובאיור 2, בהתאמה. התיאור הבא משותף לשניהם. המעגל המשולב מוצמד ל’כיס’ (pocket) בתוך המצע, בעזרת חומר אפוקסי מוליך. מימוש זה מקטין למינימום את האורך של חיבורי איחוי החוטים מזהב. החוט מזהב מחבר בחיבור פנימי בין רפידות איחוי בת”ר של המעגל המודפס, לבין רפידות איחוי בת”ר של המארז ויוצר רשת מעבירת נמוכים, המתוארת באיור 3, כאשר חוט האיחוי מיוצג כהשראות של סדרה מקובצת LWB והרפידות מיוצגות כ- CPK ו- CIC. כוונון תקין של רשת תיאום זו הוא חיוני לתאום עכבות מדויק ולביצועים חשמליים טובים בפס הרחב. לרפידת ת”ר של המארז מחוברת רצועת מיקרו (microstrip) עם עכבה אופיינית של 50 אוהם ומעבר אנכי מתואם אל הרפידה התחתונה. הרפידה התחתונה של המארז עשויה כך שתהיה לה עכבה (אימפדאנס) אופיינית של 50 אוהם, בתצורת מוביל גלים (גלבו) מוארק במישור משותף (GCPW). המארז מולחם למעגל מודפס שיש לו מוליך GCPW עם עכבה אופיינית של 50 אוהם. מכסה פלסטיק או קרמי מחובר למארז עם דבק אפוקסי דרגה B לא מוליך.

ב. חומרים

לתהליך בחירת חומרים וטכנולוגיה יש תפקיד חשוב בביצועים של המארז. בחירת החומרים הנכונים תלויה בדרישות היישומים, כמו למשל אטימות, תדירות הפעולה המרבית, גודל המארז, משקל המארז, חיבורים פנימיים ברמה ראשונה וברמה שנייה, מגבלות של ניהול חום וניחות המעבר (insertion loss) הסביר של החיבורים הפנימיים [4].

הן במארזי LTCC וגם במארזים בעלי מצע אורגני, בעת הבחירה של חומר המצע יש לקחת בחשבון את הקבוע הדיאלקטרי ואת טנגנס הניחות הנדרשים לקבלת ביצועי ת”ר הרצויים. המצע קובע גם את טופולוגית המארז ואת התאימות לחומרים אחרים. שני המצעים שנבדקו כאן הם LTCC ומצע אורגני. מארז LTCC שמופיע באיור 1, מתבסס על מבנה מונוליטי קרמי עם חלל (cavity) שנוצר בשכבות הסרט העליונות של המצע. המשטח העליון החשוף של ה’כיס’ מאופיין ביצירת כיסוי מתכתי רציף שמחובר לרפידת ההארקה התחתונה דרך חורי מעבר מרובים. מאחר שמדובר בחומר קשה, קל יותר לחבר חוטים. במקרה של המארז האורגני, המופיע באיור 2, ה’כיס’ נוצר על ידי הסרה של נתח מהמצע וחשיפת שכבת המתכת התחתונה, כאשר בכך מתאפשרת הארקת ת”ר טובה יותר ועמידות טובה יותר לחום. בשני המארזים, החומרים והגימור של המוליכים ייבחרו למען השגת ביצועי ת”ר טובים והתאמה לתהליכי הרכבה בתקן תעשייתי. המוליך המתכתי במארז LTCC עשוי, בדרך כלל, כסף עם גימור שעשוי משטח ניקל משוקע בזהב לא חשמלי (ENIG). הציפוי מגן על הכסף שמתחתיו מפני חמצון וחייב להיות בעל תכונות תואמות לתהליכים של הלחמה וחיבור חוטים. במארז האורגני משתמשים במוליכי נחושת והוא יכול להיות מאופיין בכל אחד מבין כמה גימורי משטחים שונים. הבחירה בגימור המשטח יכולה להוות עניין קריטי ביישומי תדר גבוה, מפני שהן לגסות פני המשטח וגם למוליכות החשמלית יש השפעות משמעותיות על ניחות המעבר [5] [6]. לבחירה בדבק אפוקסי מוליך שמשמש להצבת השבב MMIC יש השפעה משמעותית על ההתנגדות התרמית הכוללת של המארז. בהיותו נקודת המגע העיקרית בין השבב לבין המארז, משמש הדבק האפוקסי את החלק העיקרי של פיזור החום של השבב.

ג. זרימת העבודה של ההדמיה

במהלך שלב התכנון של הפרוייקט הזה, הביצועים החשמליים, ביצועי החום והביצועים המכניים של מארז LTCC והמארז האורגני עברו ניתוח באמצעות זרימת עבודה בהדמיה של שילוב תחומים פיסיקליים. בזרימת העבודה בהדמיה השתמשנו בהתקני הדמיה מרובים שפעלו בזה אחר זה, כאשר התוצאות של כל התקן שימשו כחלק של הגדרות התקן ההדמיה הבא.

איור 4. מודל הדמיה אלקטרומגנטי של מארז LTCC שכולל רק את חלקי התכנון המתאימים לביצועים החשמליים.

איור 5. מבט מקרוב על הגיאומטריה והרשת שמשמשות בהדמיה התרמית ובהדמיה המכנית של מארז LTCC כאשר מכסה המארז אינו נראה. ראוי לשים לב שהמודל כולל חומר הלחמה, דבק אפוקסי לחיבור השבב, וכן את החלל ואת חורי PTH המלאים בחומר הלחמה.

בהמשך מתוארת זרימת העבודה המסוימת של ההדמיה:

1)   הדמיה אלקטרו מגנטית מלאה של אלמנטים סופיים בתלת ממד התבצעה על הגרסה המפושטת של גיאומטרית התכנון. ההדמיה הניבה נתונים של פרמטרי S ושל הפיזור המרחבי הכיווני (spatial distribution) של פיזור ההספק בתוך התכנון.

2)   הדמיה תרמית מלאה של אלמנטים סופיים בתלת ממד פועלת על המודל של ההדמיה האלקטרו מגנטית, כשהוא מורחב על מנת להכיל גיאומטריה מתאימה לביצועי החום ולביצועים המכניים (אבל לא לביצועים החשמליים). כפי שנראה באיור 5, נעשה מאמץ ליצור מודל מדויק של אזורים קריטיים של גיאומטרית הדמיה, כמו למשל חלל וחורי PTH מלאים בחומר הלחמה. ההדמיה השתמשה בפיזור הספק מחושב מתוך ההדמיה האלקטרו מגנטית והניבה פיזור טמפרטורות בתוך גיאומטרית המודל.

3)   הדמיה מכנית מלאה של אלמנטים סופיים בתלת ממד פועלת על גיאומטריה מלאה של המודל, תוך כדי שימוש בפיזור טמפרטורה מרחבית כחלק מההגדרה שלה. ההדמיה הניבה עיוותים ומאמצים מכניים בתוך גיאומטרית המודל.

4)   אם נדרש, אפשר לבצע איטרציות של התהליך המתואר לעיל, עד אשר יימלאו אמות המידה של ההתכנסות, ולהזין מידע לגבי עליית הטמפרטורה ועיוותים גיאומטריים של המודל אל תוך התקן ההדמיה החשמלי עבור המעבר הבא. באופן מעשי, לא פעם די במעבר יחיד כדי לקבל התאמה יוצאת דופן בין תוצאות ההדמיה לבין המדידות הפיסיות.

אמנם זרימת עבודה אמיתית של שילוב תחומים פיסיקליים מורכבת יותר מאשר זרימת עבודה שכרוכה במשימות נפרדות של הדמיה חשמלית, תרמית ומכנית, אך היא מספקת למהנדסי התכנון מבט מקיף של ביצועי התכנון. לדוגמה, הדמית חום מסורתית של מוליך מיקרו-סטריפ יכולה להיות כרוכה במקור חום מבוזר באופן אחיד, אשר מופעל על פני השטח או על כל הנפח של המוליך. גישה כזו מבטלת מידע חיוני לגבי יצירה מקומית של חום מפני שהצפיפויות של הזרם בתדירויות של גלים מילימטריים אינן אחידות. גישת הדמיה בשילוב תחומים פיזיקליים לוכדת במפורש את התופעה הזו, כמו עוד תופעות אחרות, ללא צורך בתשומת ליבו של המתכנן.

היכולת של הדמיה בשילוב תחומים פיזיקליים להיות אחראית באופן אוטומטי על תנאים, שהם מורכבים מדי כדי שאפשר יהיה להגדיר אותם באופן ידני, היא רבת ערך במיוחד עבור תכנוני LTCC. מאחר שתכנונים של מארזי LTCC מורכבים ממבנה קרמי מונוליטי עם גיאומטרית מוליכים פנימית מורכבת. תמונות תרמיות של החלק החיצוני של התקן כזה עלולות לא לחשוף באופן מלא את ההתנהגות החומנית הפנימית שלו.

מאחר שההיבטים החשמליים התרמיים והמכניים של ביצועי התכנון קשורים לא פעם (כתוצאה מהתנגדויות חשמליות, התרחבות בחום שתלויים בטמפרטורה, ומעוד גורמים), זרימת עבודה של הדמיה כזו מאפשרת להבין בצורה הטובה ביותר את ההשפעה של החלטות תכנון על ההיבטים הקשורים, בינם לבין עצמם, של הביצועים. זרימת העבודה הוכשרה בפרוייקטים מרובים הכרוכים בכמה טכנולוגיות והשיגה תוצאות הדמיה, שהיו קרובות ביותר למדידות הביצועים. בדומה לחלקים אחרים של תהליך LTCC המבוסס של Mini-Circuits, גם תהליך זה כפוף להערכה ושיפור מתמידים.

3.התאמה אישית אל מול סטנדרטיזציה

על אף שמארז QFN מהווה מזה זמן מה זרימת עבודה תעשייתית הן עבור רכיבים אלקטרוניים אקטיביים וגם פסיביים, עד לפס V [7], האופי המאוד מתוקנן שלו, הופך אותו לפתרון מעט פחות אופטימלי עבור חלק מהיישומים. ככל שיישומים מתקדמים לכיוון תדירויות של גלים מילימטריים, יש להתאים את טכנולוגיות המארזים לצרכים המשתנים במידה רבה של התעשייה.

בעוד ש’פתרון יחיד מתאים לכל’ יכול להתאים לכל היישומים במידה גרועה באופן שווה, גם פתרון מותאם אישית באופן מלא, שמניב תוצאות יוצאות דופן, עלול להיות לא מתאים בשל גורמי עלות וזמן. על מנת לפתח פתרון מארז מהיר, כדאי מבחינת עלות, שעדיין יוכל להציע גמישות יוצאת דופן בעת יישומו, היה רצוי לשלב תהליכים בתקן תעשייתי ותכונות תכנון ניתנות לכיוון בתוך תבנית מארז ניתנת להתאמה אישית. גישה ‘תבניתית’ זו לתכנון מארז מאפשרת שימוש חוזר בחלקי תכנון שפעולתם הוכחה, ובכך להפחית את המאמץ והסיכון הגלומים בפתרונות שנוצרים מהתחלה. ניתן לקבל יכולות שמאפשרות התאמה לצרכים החשמליים, לצרכים התרמיים ולצרכים המכניים הייחודיים, וכן, לצורכי תנאי הסביבה הייחודיים של כל יישום, תוך כדי הקטנה למינימום או ביטול מוחלט של הצורך בפעולות הכשרה נרחבות של תכנונים חדשים.

בדרך כלל, אפשר להשיג את מארזי QFN בטווח המדורג של מידות סטנדרטיות (3 מ”מ x 3 מ”מ, 4 מ”מ x 4 מ”מ, וכך הלאה), בעוד ששבב MMIC יכול להיות נתון בכל גודל ובכל יחס ממדים. אם שבב גדול מדי, במעט, על מנת שיוכל להתאים למארז QFN סטנדרטי, יש צורך להשתמש במקום בו, בשבב מהגודל הבא, ולפעולה הזו יש צורך בחיבורי חוטים ארוכים עם ההשראויות הפרזיטיות המוגדלות, בהתאמה. למארז עצמו יש מעט יכולת לפצות על ההשראויות הפרזיטיות האלו, משימה שבמקום זאת עוברת לגיאומטריה של המוליכים שעל המעגל המודפס ועל השבב. בנוסף, במארזי QFN משתמשים בעטיפה (כמוסה) פלסטית אשר עוטפת את מסגרת המוליכים, את השבב ואת חיבורי החוטים. מבנים עדינים על שבב MMIC, כגון גשרי אוויר, אינם מתאימים לתהליך כימוס כזה. אפילו בהיעדר מאפייני MMIC שאינם מתאימים, המעטפת יכולה לקלקל את הכוונון או לפגוע בביצועים של המערכת האלקטרונית הרגישה, רק כתוצאה מהקרבה. לבסוף, נקודות החיבור של מארז QFN עשויות במידה רבה לפי תקן עם גמישות מועטה בגודל ובגיאומטריה של הרפידות. עבור יישומים מסוימים, החלקים הפרזיטיים החשמליים הקשורים לגיאומטרית המעבר הקבועה, עלולים להיות בלתי רצויים.

המארז LTCC ומארז המצע האורגני המותאמים אישית של Mini-Circuits, נותנים מענה למגבלות המתוארות לעיל, מפני שהם מציעים פתרונות עם גמישות כזו, שדי בה כדי לענות על הצרכים של מגוון רחב של יישומים. במארזים אלו השבב נתון ב’כיס’ מעל המצע, כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2. ממדי ה’כיס’ מוגדרים על פי שבב הלקוח, באופן כזה שאפשר להציב את רפידות חיבורי החוטים קרוב ככל האפשר אל השבב, ולהקטין עד למינימום את אורך חוטי החיבור ואת ההשראות. לכן, מארז LTCC ומארז המצע האורגני מציעים גמישות גדולה יותר ביחס לערכי הגודל של שבב MMIC, על אף שלעת עתה אפשר לקבלם רק באותן מידות גודל כמו אלו של מארזי QFN סטנדרטיים, כלומר 3 מ”מ x 3 מ”מ, 4 מ”מ x 4 מ”מ, ו-  4 מ”מ x 4 מ”מ. מכסה פלסטי מקובע על גבי השבב וחיבורי החוטים באמצעות תרכובת אפוקסי דרגה B, תוך כדי שמירה על מרווח אוויר מעל השבב וחיבורי החוטים ותוך כדי השגת איטום הרמטי למחצה. השימוש במרווח אוויר במקום בחומר כימוס, מאפשר אריזה של מבני MMIC עדינים, ומקטין למינימום את הפגיעה בביצועים חשמליים.

שלא כמו מארזי QFN, מארז LTCC ומארז המצע האורגני מציעים את הגמישות הדרושה להתאמה אופטימלית של יישומים. מבנה המארז מכיל אלמנטים ניתנים לכיוון אשר מפצים באופן חשמלי על הערכים הפרזיטיים הכרוכים במעברים מהמעגל המודפס אל המארז, ומהמארז אל שבב MMIC. יתר על כן, מאחר שהמארז משתמש במוליכים מודפסים במקום במסגרת מוליכים מוצקה, בעלויות מזעריות של יצירת כלים אפשר להתאים באופן אישי את עקבות המעגל (footprint) של מארז LLTC ושל מארז המצע האורגני.

4.דוגמאות

על מנת לתקף את התכנון ולמדוד את הביצועים של המארז האורגני ומארז LTCC, תוכננו, יוצרו ונבדקו מארזים מרובים. המארזים הורכבו והולחמו על מעגלי הערכה מודפסים מסוג Taconic TLY-5 של 5 מיל, עם עקבות GCPW של 50 אוהם.

מחברי קצה של Southwest Microwave שימשו כממשק למעגלים המודפסים עם נתח הרשתות הווקטורי (VNA). כיול SOLT (Short Open Load Thru) סטנדרטי בוצע עד 55 ג’יגה הרץ, עד למישור הייחוס של המחברים. המדידות עבור ניחות המעבר של כל מארז עברו נרמול על ידי חיסור של ההפסדים של החיבור הישיר של המעגל המודפס.

א. מנחת 2 dB ב- MMIC על מארז אורגני

מנחת 2 dB ב- MMIC מותקן ומחובר בחוטים בראש מארז אורגני. איור 6 מראה את המארז המותקן בראש המעגל המודפס, וכן מציג צילום תקריב של המארז ללא המכסה, מציג את השבב ואת חיבורי החוטים. איור 7 מציג את נתוני ההתקן שנמדדו. העקומה S21 מראה תגובה שטוחה מאוד של -2dB עד 48 ג’יגה הרץ. הפסדי החזרה טובים נצפו גם הם על פני כל רוחב פס התדר.

(א)

(ב)

איור 6. מעגל משולב במארז אורגני על גבי מעגל בדיקה: (א) מארז עם מכסה על לוח הבדיקה.
(ב) תמונה מקרוב של מארז ללא מכסה שמציגה את השבב מסוג flip chip על גבי מצע המארז.

איור 7. תוצאות מדידה של מנחת 2 dB על מארז אורגני.

ב. מנחת 2 dB ב- MMIC על מארז קרמי

מנחת 2 dB ב- MMIC מותקן ומחובר בחוטים בראש מארז קרמי. איור 8 מראה את המארז המותקן בראש המעגל המודפס, וכן מציג צילום תקריב של המארז ללא המכסה, מראה את השבב ואת חיבורי החוטים. איור 9 מציג את נתוני ההתקן שנמדדו. העקומה S21 מראה תגובה שטוחה מאוד של -2dB עד 55 ג’יגה הרץ. הפסדי החזרה טובים נצפו גם הם על פני כל רוחב פס התדר.

(א)

(ב)

איור 8. מעגל משולב במארז LTCC על גבי מעגל בדיקה: (א) מארז ללא מכסה על לוח הבדיקה.
(ב) תמונה מקרוב של מארז ללא מכסה שמציגה את השבב ואת חיבורי החוטים.

איור 9. תוצאות מדידה של מנחת 2 dB על מארז LTCC

ג. מתג SPDT מסוג flip-chip על מארז קרמי

מתג SPDT מסוג flip-chip מותקן בראש מארז קרמי. איור 10 מראה את המארז המותקן בראש המעגל המודפס, וכן מציג צילום תקריב של המארז עם השבב מסוג flip-chip גלוי. איור 11 מציג את נתוני ההתקן שנמדדו עם ערוץ RF2 פעיל. הפסדי החזרה טובים נצפו גם הם על פני כל רוחב פס התדר.

(א)

(ב)

איור 10. מעגל משולב במארז על גבי לוח בדיקה: (א) מארז עם מכסה על לוח הבדיקה. (ב) תמונה מקרוב של מארז ללא מכסה שמציגה את חיבורי החוטים.

איור 11. תוצאות מדידה של מתג flip chip מסוג SPDT כשערוץ RF2 פעיל.

5. מסקנות

במהלך הזמן פותחו מארזים שמשתמשים הן ב- LTCC וגם בחומרי מצע אורגניים (בתהליך רישום לפטנט). הודגמו ביצועים חשמליים בלתי רגילים של שתי טכנולוגיות המארזים עד 55 ג’יגה הרץ. שתי מתודולגיות המארזים משלבות מבחר רחב של צרכים ייחודיים ליישום, לרבות תיאום עכבות, ערכי גודל שבב משתנים, וטווח רחב של כמויות של רפידות כניסות/ יציאות (IO), סוגי אותות (DC או RF) וגיאומטריות של מעגלים מודפסים. באמצעות השילוב של מאפיינים מתוקננים ומאפיינים ניתנים להתאמה אל תוך תבנית מארז ניתנת לכיוון, הגישה של Mini Circuit למארזים השיגה ביצועים חשמליים רצויים ויכולת רחבה של התאמה ליישום במקביל למזעור זמן מחזור עבודה, עלות וסיכונים.

6. שלמי תודות

המחברים מבקשים להודות ל- Mini Circuit על כך שסיפקה לו את המשאבים הנדרשים לעריכת המחקר והפיתוח של החידושים שהוצגו במאמר הטכני הזה.

סימוכין

[1] National Instruments. (2018) 5g new radio: Introduction to the physical layer. [Online]. Available: http://www.ni.com/en-us/innovations/wireless/5g/new-radio.html

[2] E. A. Sanjuan and S. S. Cahill, “QFN-basedmillimeterwavepackagingto80ghz,” in 2009 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Signal Integrity and High-Speed Interconnects, pp.9–12.

[3] K. Fujiiand and H.Morkner, “Two novel broadband MMIC amplifiers in SMT package for 1 to 40 GHz low cost applications,” in 2005 European Microwave Conference, vol.2, pp.4pp.–1086.

[4] R.Sturdivant, Microwave and Millimeter-Wave Electronic Packaging, ser. Artech House microwave library. Artech House, 2013. [Online]. Available: https://books.google.com.co/books?id=xphQAgAAQBAJ

[5] J. Coonrod, “Ambiguous influences affecting insertion loss of microwave printed circuit boards [application notes],” IEEE microwave magazine, vol.13, no.5, pp.66–75, 2012.

[6] M. Henry, C. Free, Q. Reynolds, S. Malkmus, and J. Wood, “LTCC technology at high millimeter wave frequencies,” in 2006 1st Electronic System integration Technology Conference. IEEE, 2006. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/estc.2006.280087

[7] Mini-Circuits. (2018) EP2KA+ Datasheet. [Online]. Available: https://www.minicircuits.com/pdfs/EP2KA+.pdf

Share this article
Share on linkedin
Share on facebook
Share on telegram
Share on whatsapp
Need Help?